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走进重庆大学电镜中心 开启微观新世界

来源: >> 进入该公司展台
2018/06/22 09:40:08 已浏览:次

[导读]?走进重庆大学虎溪校区,前行不远,就能看到一幢砖红色的建筑,那里,是藏书万卷,供师生阅读学习的重庆大学图书馆,重庆大学电子显微镜中心就坐落在图书馆负一楼。

超快自旋极化低能电子显微镜 重庆大学供图

??6月21日讯 走进重庆大学虎溪校区,前行不远,就能看到一幢砖红色的建筑,那里,是藏书万卷,供师生阅读学习的重庆大学图书馆,重庆大学电子显微镜中心就坐落在图书馆负一楼。

??静处校园一隅,低调又高冷,走进以后,才发现,重庆大学电子显微镜中心是国内、国际知名的科研高地。这里所研究的,都是与、经济社会发展和需求紧密相连的。

??“轻合金材料国际联合实验室先进表征技术研究中心”“2011计划重庆市自主品牌汽车协同创新中心轻量化材料表征平台”“教育部材料基因工程‘111’引智基地”“镁合金工程技术研究中心材料组织分析中心”等一系列高大上的牌匾,彰显着这里的科研实力和主要贡献领域。

??由此,不难相信,重庆大学电子显微镜中心“低调”的作风,实则“炫耀”着难以企及的科学研究“硬”实力。

??关于电子显微镜中心,到底在研究什么?又为社会和带来了怎样的贡献?显微镜又有那些不为熟知的秘密?记者将为广大网友揭开神秘面纱。

??电子显微镜,你知道多少?

??提及显微镜,也许你会想起初高中课堂上,观察生物细胞结构图像时所使用的仪器。这种为人们所普遍知晓的显微镜是光学显微镜,一般放大倍数为 40-1000倍,小能够看到尺寸在微米(百万分之一米)级的结构,如细胞核、植物细胞的大液泡等。显微镜的诞生让人们对生物体的生命活动规律有了更进一步的认识。随着科学技术的发展,显微镜的应用范围变得愈来愈广,除了使用一般明视野透射光以外,还可以使用暗视野、相差、偏光、荧光、紫外光、红外光进行标本的观察。

??然而, 现代的科学早已进入纳米(十亿分之一米)时代,例如,人们天天握在手里的手机芯片,其生产工艺已经达到10nm以下,与之相关的基础研究,则需要更高的分辨能力。这时候,光学显微镜就无能为力了,需要分辨能力更高的电子显微镜(简称电镜)。

??自1931年卢斯卡( Ernst Ruska )发明透射电子显微镜以来,电镜已经走过了近百年的历史,目前人类每年生产近万台各种类型的电镜。电子显微分析也已成为新材料、生命科学、物理、化工、电子等重点领域内原创性基础研究必不可少的支撑技术。在芯片设计制造等精密加工产业中,电子显微分析甚至已经成为生产线上必不可少的工序。

??高科技的发展,让电子显微镜具有了不可替代的重要使命,电子显微技术及设备成为了众多基础科学新发现及革命性技术突破的关键,许多技术的产生都与之息息相关,因而被科学家们称为科研路上的“眼睛”。

实验室老师检查设备 重庆大学供图

??电子显微镜为什么是“科研之眼”呢?

??众所周知,我国是制造业大国,但远非制造业强国。我们在面对遍布全世界的“Made in China”的商品标签自豪的同时,却不得不面对高端、高附加值的产品需要大量进口的现实。例如,我国生产超过全世界50%的钢铁、60%的原铝,以及 87%的原镁,但是,大量的关键结构材料,都只能依赖进口。又如某些高科技设备中的关键铁磁材料,生产工艺要求非??量?,只能进口,一小块体积就要十几万元,比黄金还贵。要实现这些高品质、高附加值的材料的 “自创、自产”,必须以强大的基础科研作为支撑,需要从根本上弄清楚生产工艺、材料的内部微观组织,以及材料性能之间的关系。

??“比如一把简单的菜刀,我们中国人做了几千年,现在却有很多人愿意花上千元去买一把进口的菜刀,成分都差不多,为什么别人的要好一些?原因就是内部的微观组织不一样,化学元素的空间分布不一样,以及内部的缺陷密度和分布等不一样”。那么,准确地认识这些内部的微观组织、研究清楚在何种工艺条件下可以形成何种组织,是生产出性能更优异产品的必要条件,而这必须依靠电子显微镜去观察、分析和研究。

??近现代以来,我国的工业从无到有,尤其是改革开放之后,企业的规模不断扩大,企业的生产线越来越先进,生产能力也得以空前提高。例如,很多金属材料制造企业拥有了全世界的轧机、数万吨级的水压机等大型装备。但是,相关的生产工艺、质量控制等软实力,还远远不够。因此,在同等装备水平下,却无法生产出与发达同档次的产品,这一现状必须改变。而要改变这一现状,调控金属材料生产工艺过程中的微观组织变化是关键。

??正是怀着这样的信念和认识,曾在国际金属材料研究重要基地之一的丹麦Ris?实验室工作多年,时任清华大学教授的刘庆于2006年来到了我国的重要制造业基地重庆,开始在重庆大学组建金属材料微观组织控制研究团队。

唐文新教授研究团队 重庆大学供图

??让我们看看该团队的“豪华阵容”:

??黄晓旭,“千人计划”特聘教授,国际金属形变微观组织及强韧化领域专家,领导开发了基于透射电子显微镜的三维晶体取向重构技术。

??聂建峰,“千人计划”特聘教授,国际相变晶体学领域专家,是透射电镜HADDF技术和原子分辨率能谱像在轻金属相变研究中应用的引领者。

??Dorte Juul Jensen,“外专千人”特聘教授,国际金属形变再结晶领域专家,领导开发了世界首套中子衍射光谱仪、世界首套三维X射线衍射显微镜和已经在世界范围内广泛应用的扫描电镜自动电子背散射衍射(EBSD)技术。

??Robert Sanders, “外专千人”特聘教授,专长铝合金设计及工程应用,曾担任世界航空铝合金霸主美国铝业公司的亚太区技术总监。

??唐文新,表面物理和低能电子显微镜专家,领导开发了三磁偏转器像差校正低能电子显微镜和高温扫描隧道显微镜大型研究平台。

??吴桂林,金属形变及电子显微镜取向分析专家。

??另外还有二十余位来自于国内外大学的年轻学术骨干。

??可以看到,这个团队中很多学者既是材料科学家,又是电子显微学专家,这也突显了电镜在材料研究中的地位。因此,刘庆教授初到重庆大学,就将学校配备给他的全部科研启动费,用于购置电子显微镜,同时,也要求团队的其他高级引进人才也这样做,这便有了“重庆大学电子显微镜中心”的雏形。

研究人员在进行微观分析实验 重庆大学供图

??电子显微技术的自主创新之路 双大学的重大担当

??然而,电子显微镜这样的高端分析仪器,只靠买是不行的。近年来, CAMECA、Thermal fisher等国际大公司大肆收购,已经将世界上大部分高端分析仪器厂家收入囊中。就电子显微镜领域来说,目前世界上的电子显微技术的研发和电子显微镜的生产制造,基本掌握在美国和日本手中。在中国日渐崛起的今天,基础科研和创新发展的咽喉掌握在别人手里是不可接受的。因此,中国急需掌握高端分析仪器的原创技术研发、设计、加工能力,以及电子光学、电子显微分析领域的人才和技术储备。

??“研究学术、造就人才、佑启乡邦、振导社会”的办学宗旨,始终激励着重大人奋勇向前的学术追求,也锻造了重庆大学的责任与担当。重庆大学电镜中心和刘庆教授的金属材料微观组织控制研究团队在创立之初,就确立了材料研究与电子显微分析技术与设备开发两条腿走路的发展战略,从而挑战大型精密光学分析设备这一国内很少人接触的领域。

??刘庆教授早在九十年代初,就发明了一套透射电镜中的晶体学取向精确快速表征方法,目前已经被全世界二十余个重要的研究机构广泛应用。重庆大学电镜中心组建后,聘请了我国电子显微学的权威专家、中科院院士、电子显微镜中心主任朱静教授为首席顾问,同时,将材料的电子显微分析及电子显微分析新方法、新技术和新装置的开发作为一个重要的研究方向,使得电子显微技术的发展与先进材料的基础研究相互结合,相互促进。在利用电镜中心的软硬件进行前沿科学研究的同时,又促进了中心自身的发展,开发出多项具有自主知识产权的电子显微分析原创技术。电镜中心的团队,成为了国内鲜有在金属材料领域、分析表征技术研发、工程金属材料研究领域都处于水平的研究团队,近年来已经获得了基金委创新群体、科技部创新团队等荣誉。

??打破美日垄断 助推“双建设”成果显著

??重庆大学电镜中心材料研究与电子显微分析技术开发并行发展的战略路线实施近十年来,取得了丰硕的成果。

??中心的基础研究,取得了重点研发计划,973项目,自然科学基金创新群体,重大科研仪器设备研制专项和十三五重点研发专项等重大项目的支持。在实施这些项目的过程中,中心利用人才队伍和国际合作方面的特色和优势,开展基础前沿研究,开发先进科研仪器设备,取得了一批有国际影响力的重要成果。发表SCI论文500余篇,获得科技进步二等奖2项、国防科技进步一等奖2项。同时与企业密切合作,开展技术创新,加速技术产业化。

聂建峰教授等讨论实验技术 重庆大学供图

??其中代表性的成果有:

??代表性成果一:研发自旋极化超快低能电子显微镜

??唐文新教授主持设计并建成独特的三磁偏转器像差校正低能电子显微镜和高温扫描隧道显微镜大型研究平台,在此基础上研发首套超快自旋极化低能电子显微镜。该项目获得了自然科学基金委员会重大科研仪器设备研制专项的资助,在开发过程中,吸引了该领域的专家联合研发,包括电子光路理论专家万唯实教授,低能电子显微镜专家IBM公司的 Ruud Tromp博士,先进透射电镜的重要部件球差校正器的理论发明人Harold Rose教授、以及自旋极化低能电子显微专家孝川越正教授,他们在项目关键点提供重要支持,同时也培养了年轻的团队逐渐开始理解并深入该方面研究。

??该设备开发成功后,预期为低维新材料石墨烯、高速高密度存储材料、高性能薄膜太阳能电池、物联网超高灵敏声光电气传感器、环境化工领域重要的催化剂等表面研究领域的重大基础科学问题在时间尺度上提供高分辨研究手段。

??代表性成果二:研发三维透射电子显微镜,促进三维材料科学发展

??黄晓旭教授领导的跨国研究团队成功开发出了基于透射电子显微镜的三维晶体取向重构技术(3D-OMiTEM),其空间分辨率可达1nm,在国际上首次实现了对纳米晶材料的晶体取向、晶粒的大小和形状、晶粒在样品中的位置和分布等结构参数的三维定量分析。在此技术的基础上,基于自然科学基金委员会重大科研仪器设备研制专项的资助,正在进一步研发多功能的三维透射电子显微镜。

??该设备的研制成功与应用,将推动材料微观组织的表征从二维向三维拓展,从而促进三维材料科学的发展。该技术将在我国先进航天航空材料的开发、高铁轮轨表面优化、以及先进能源材料的研发等领域发挥重要作用。

??代表性成果三:发展晶体取向快速分析新技术

??刘庆教授和吴桂林教授,基于透射电工在显微镜,开发了一系列微区晶体学取向快速分析技术和全自动二维取向标定与重构技术,基于扫描电镜,开发了原位力学测试系统和电子背散射衍射数据处理方法与软件等。这些新技术在金属材料微观组织和织构演变、塑性变形机理和工艺优化等研究领域发挥了重要作用。

??代表性成果四:开发系列新材料,服务重大工程及经济发展

??中心发挥设备和人才队伍的优势,在结构金属材料领域,与工业界开展广泛和密切合作,取得了一系列重要研究成果。

??1.与宁波江丰电子材料公司密切合作,攻克了一系列超高纯金属靶材生产关键技术,填补了产业和技术多项空白,打破了欧美企业的垄断地位。我国现在是世界上的芯片进口国,该系列材料是芯片制造领域的核心材料之一,其研制成功将为我国发展自己的芯片产业,提供重要的支撑。该成果已由中央电视台《辉煌中国》等栏目多次报道,成为“中国制造2025”的标志性成果之一;

??2.与江苏法尔胜集团合作,成功开发出2000MPa的桥梁缆索用超高强度钢丝,已经大规模应用于国内外的大型桥梁建设。重庆是我国的 “桥都”,各式各样宏伟壮观的桥梁是重庆的名片之一,当我们每天经过这些桥梁的时候,都应该为重庆大学电镜中心在其中的贡献感到骄傲;

??3.与国核宝钛、中核、广核等单位合作,成功地提出了多种锆合金组织控制新方法,提高了产品的成型能力和使用性能,研究成果荣获科技进步二等奖1 项、国防科技一等奖1 项。

??4.与西南铝等企业密切合作,开发了满足航空航天用的7xxx系和2xxx系等新型铝合金,为重大型号XXX 项目提供合格的高强铝合金;成功开发出基于工业生产条件的AA6016 铝合金板材,使西南铝业成为国内首家可以工业化生产汽车用铝合金板材的企业。

??目前,经过近十年的发展,重庆大学已经初步建成了一个在电镜设备、人才队伍均处于国际水平的电镜中心。电镜中心正在努力成为我国在电子光学和电子显微分析领域的引领者,成为我国在这一领域重要的高端人才培养基地和原创成果产出基地,助推重庆大学挤身“世界大学”的行列。

[来源:华龙网]
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编辑:?杨厉哲

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